阅读说明：本技术 用于过程自动化的传感器布置、传感器和电缆 (Sensor arrangement, sensor and cable for process automation ) 是由 斯文-马蒂亚斯·沙伊贝 于 2015-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于过程自动化的传感器布置、传感器和电缆。传感器布置包括：传感器和电缆,传感器包括至少一个传感器元件、用于将测量值传送到第二接口的第一接口以及包括接口的第一机械联接部,电缆用于将测量值传送到上级单元,其包括与第一接口互补的第二接口和与第一机械联接部互补的第二机械联接部,其中第二接口和第二机械联接部被至少分段布置在电缆外壳中,传感器通过第一机械联接部和第二机械联接部以可分离的方式连接到电缆上,经由电缆可连接到上级单元,第一和第二接口用于传感器和上级单元之间的双向通信并确保传感器的能量供应以及通信。接口被设计为感应接口。其特征在于第二机械联接部被布置在相对电缆外壳的纵向轴线小于180°角处。(The invention relates to a sensor arrangement, a sensor and a cable for process automation. The sensor arrangement comprises: a sensor and a cable, the sensor comprising at least one sensor element, a first interface for transmitting measured values to a second interface and a first mechanical coupling comprising an interface for transmitting measured values to a superordinate unit, which comprises a second interface complementary to the first interface and a second mechanical coupling complementary to the first mechanical coupling, wherein the second interface and the second mechanical coupling are arranged at least sectionally in a cable housing, the sensor is detachably connected to the cable by the first mechanical coupling and the second mechanical coupling and is connectable to the superordinate unit via the cable, the first and second interfaces being used for bidirectional communication between the sensor and the superordinate unit and ensure energy supply and communication of the sensor. The interface is designed as an inductive interface. Characterized in that the second mechanical coupling is arranged at an angle of less than 180 ° with respect to the longitudinal axis of the cable jacket.)

用于过程自动化的传感器布置、传感器和电缆

本申请是中国发明专利申请的分案申请，原案的发明名称是“用于过程自动化的传感器布置、传感器和电缆”，原案的申请号是201510768363.4，原案的申请日是2015年11月4日。

技术领域

本发明涉及用于过程自动化的传感器布置。此外，本发明涉及传感器和电缆。

背景技术

在过程自动化中，传感器通过机械联接部，通常通过卡口封盖(bayonet closure)连接到电缆上。电缆继而被连接到诸如测量转换器或控制中心的上级单元。传感器和电缆各自具有接口，例如感应接口或光接口，通过接口传感器被供应能量并确保了从传感器到电缆和到上级单元的通信。这被描述在例如EP1625643中。

特别地，这里应提及申请人的“Memosens”产品。其它的通用设计例如为Knick公司的“Memosens”、Mettler-Toledo的“ISM”、Hamilton的“ARC”系统以及Krohne的“SMARTSENS”。

目前使用的传感器和电缆为轴向插接在一起并适当锁定。在插接情况下，传感器外壳和电缆外壳彼此轴向布置。此外，传感器侧上的传感器元件，例如确定pH值的元件，以及电缆侧上到上级单元的连接器也同样在轴向方向上被布置到它们的相应接口。取决于传感器的长度，这会引起刚性布置可具有大约25-85cm的轴向长度。电缆在很大程度上是柔性的，且可长达100m。

由于电缆和传感器的刚性以及轴向布置，在某些使用条件下，诸如使用实验室中的烧杯的条件下，可能出现有问题的测量设置。因此，可能会发生烧杯由于传感器-电缆布置的自重而被打翻。因此，必须实施预防措施以有效防止这种可能情况，参见图1。

图1示出了带有电缆11.StdT的传感器1.StdT。传感器1.StdT与待测量的介质20一起在玻璃杯中。机械联接部2.StdT和12.StdT以及接口3和13位于传感器1.StdT上或电缆11.StdT上。电缆11.StdT由支撑部21以传感器1.StdT不能翻倒的方式支承。额外的支撑部21是不方便的且复杂的。此外，其使得传感器1.StdT从电缆11.StdT的分离更难，或取决于支撑布置，联接部2.StdT和12.StdT可能很难接入或者无法接入。

发明内容

本发明基于克服现有技术的缺陷的目的。特别地，提出了一种传感器电缆结合，其在诸多应用领域中可被灵活处理和使用。

通过传感器布置、电缆、和传感器来解决上述目的。

如上文所述，通过传感器布置满足上述目的。传感器布置包括：传感器和电缆，该传感器包括用于记录过程自动化中测量值的至少一个传感器元件、用于将取决于测量值的测量值传送到第二接口的第一接口以及包括该接口的第一机械联接部；该电缆用于将取决于测量值的测量值传送到上级单元，电缆包括与第一接口互补的第二接口和与第一机械联接部互补的第二机械联接部，其中第二接口和第二机械联接部至少分段布置在电缆外壳中，其中传感器通过第一机械联接部和第二机械联接部以可分离的方式连接到电缆上，特别地，以卡扣连接(snap connection)的方式，其中传感器因此经由电缆连接到上级单元，其中第一和第二接口被设计用于传感器和上级单元之间的双向通信，其中第一和第二接口确保传感器的能量供应以及通信。传感器布置的特征在于第二机械联接部布置在相对电缆外壳的纵向轴线小于180°角处。

因此，本传感器电缆组合的轴向布置是无约束的。这引起诸多优点。例如，在具有烧杯的上述设置的情况下，由于倾斜力矩被大幅度降低，实验室设置的稳定性提高。避免了使用额外的支撑部来提高传感器的稳定性。总之，获得了节省空间的设置。此外，可设想申请的其它方面，如联接部更容易接入。

在有利的进一步改进中，第一机械联接部被布置在相对传感器的纵向轴线小于180°角处。由此，可获得更大的灵活性，且传感器到电缆的更多布置是可能的。

优选地，纵向传感器轴线和第一机械联接部之间的角度和/或纵向电缆外壳轴线和第二机械联接部之间的角度是90°。可替代地，该角度可为45°。

在优选布置中，电缆包括接头，其中接头将电缆外壳分为第一和第二段，其中第一段包括第二接口和第二机械联接部，其中第二段包括电缆附件，其中电缆附件和连接器使得电缆外壳可连接到上级单元，且其中接头是可旋转的。这进一步提高了电缆的灵活性。提供了额外的活动性。

在第一形式中，接头是具有一个自由度的接头，且特别地，是可旋转-180°到+180°之间的旋转角的旋转接头。

优选地，接头被设计为分段调节接头的旋转角，且接头包括锁定装置，特别地具有卡销(detent)，其中锁定装置将第一段固定在相对于第二段的旋转角位置。因此，接头可被逐步调节，其中步骤可被固定。操作员可因此根据需要调节和固定角度。

可替代地，接头被设计用于接头上的旋转角的连续调节。

为了确保即使连续调节旋转角，依然可以固定旋转角，接头包括制动装置，其中制动装置为设计为固定调节过的旋转角，且其中制动装置确保在第一段和第二段之间的压配合(force fit)。

在第二形式中，接头被设计为具有三个自由度的接头，特别地是球接头(balljoint)。

在优选设计中，接口设计为感应接口。

在优选的进一步改进中，第一机械联接部和第二机械联接部被设计为插接连接，并且特别地包括舌片(tongue)和凹槽。这确保了电缆传感器组合的完全的灵活性，因为联接部自身是约360°可旋转的。联接部可快速插接和分离，因为它们通过插接连接保持在一起，由此实质上通过弹簧状元件保持在一起，并且无附加的锁需要被操作。这和按钮类似。

在优选设计中，两个联接部中的一个包括缺口而另一个联接部包括与缺口互补的凸出部，特别地是弹簧，且其中凸出部接合缺口以连接联接部。由此，缺口提供倒凹且凸出部接合该倒凹。为了将电缆连接到传感器，将机械联接部推压在一起直到凸出部接合该缺口。为了从电缆上分离传感器，可拉拽机械联接部直到它们彼此脱离。

为了确保机械连接，联接部中的一个包括锁环，其中锁环以锁定机械连接的方式设计，特别是弹簧加载(spring-loaded)，所以可防止机械连接的偶然脱离，其中，为了使第一和第二机械联接部之间的连接脱离，锁环以如下方式设计：通过旋转、推压、拉拽和/或按压锁环，释放联接部之间的机械连接且发生有意脱离。

作为纯机械连接的替代，第一机械联接部和第二机械联接部被设计为磁性连接。这也是用于将两个机械联接部彼此连接的简单方法。简单的插接和拉离也是可能的。

在优选布置中，传感器是pH传感器，还可是ISFET、一般是离子选择性传感器，用于测量氧化还原电势、介质中例如具有UV、IR和/或可见范围波长的电磁波、氧、导电率、浑浊度、非金属材料浓度或温度的吸收的传感器。

在优选设计中，上级单元是发送器(transmitter)或控制中心，其中传感器包括智能单元，特别是微控制器，且智能单元将取决于测量值的测量值转换为可以对于发送器或控制中心是可解读的协议。

在进一步改进中，智能单元包括用于到上级单元的取决于测量值的测量值的记录、处理和传输的电路元件。电路元件包括例如模拟传感器电路、用于将记录的模拟值转换为数字值的模拟数字转换器、用于根据可被上级单元解读的协议诸如在过程自动化工程中常用的标准通信协议处理和传输数字测量值到上级单元例如发送器或控制中心的计算单元和通信单元。

优选地，上级单元是控制中心，并且对于控制中心是可解读的协议包括HART、无线HART、Modbus、Profibus Fieldbus、WLAN、ZigBee、蓝牙或RFID。

此外，通过用于测量值的传送的电缆解决了目的，其中该测量值取决于到上级单位的测量值，电缆包括：接口和机械联接部，其中接口和机械联接部被至少分段布置在电缆外壳内，其中传感器可经由机械联接部连接到电缆且机械联接部可被连接或分离，特别是通过插接，其中传感器因此可经由电缆连接到上级单元，其中接口被设计用于传感器和上级单元之间的双向通信，并且其中接口除确保通信外还确保传感器的能量供应。电缆的特征在于机械联接部被布置在相对电缆外壳的纵向轴线小于180°角处。

此外，通过传感器解决了目的，传感器包含：用于记录过程自动化中测量值的至少一个传感器元件；以及用于取决于测量值的测量值到第二接口的传送的第一接口，以及包括该接口的第一机械联接部。传感器的特征在于第一机械联接部被布置在相对传感器的纵向轴线小于180°角处。

附图说明

通过下面的附图详细解释了本发明。所示为：

图1示出了根据现有技术的带有电缆的传感器，

图2a/b示出以第一设计(图2a)和第二设计(图2b)的根据本发明的传感器布置，

图3a/b示出以连接布置(图3a)和分离布置(图3b)的图2a所示的根据本发明的传感器布置，

图4示出第一和第二机械联接部的细节视图，

图5a/b/c/d示出以第三设计的根据本发明的传感器布置，第三设计具有0°角(图5a)、+45°角(图5b)和-45°角(图5c)的第一设计和第二设计中的接头(图5d)，以及

图6示出根据本发明的传感器布置的应用示例。

在附图中，用相同的附图标记指定相同的特征。

具体实施方式

根据本发明的传感器布置10包括传感器1和电缆11。

传感器1包括至少一个传感器元件4用于在过程自动化中记录测量值。而且传感器1是例如pH传感器，还可是ISFET，一般是离子选择性传感器，用于测量氧化还原电势、介质中例如具有UV、IR和/或可见范围波长的电磁波、氧、导电率、浑浊度、非金属材料浓度或温度的吸收的传感器，并具有相应的测量值。

而且，传感器1包括第一机械联接部2，第一机械联接部2具有第一接口3。第一接口3被设计用于将基于测量值的值传送到第二接口13。传感器1通常包括数据处理单元例如微处理器(未示出)，数据处理单元处理测量值的值，例如将其转换成不同格式。因此，数据处理单元可处理值的传送、预处理和数字转换。

电缆11包括第二接口13，其中第二接口13被设计为与第一接口3互补。电缆11包括第二机械联接部12，其被设计为与第一机械联接部2互补。第二机械联接部12和第二接口13被至少分段布置于电缆外壳14内。电缆外壳14通常具有矩形截面，例如电缆外壳具有纵向轴线C和横向轴线D。自然地，方形截面同样可行，而且纵向轴线C是沿着电缆附件19的方向，例如电缆外壳14和上级单元22(见下文)之间的连接件的方向的轴线。横向轴线D垂直于纵向轴线C。“电缆附件”应当指定电缆外壳14上，电缆外壳14和上级单元22之间的连接件被附接的区域。

传感器1可经由第一机械联接部2和第二机械联接部12以可分离的方式连接到电缆11。因此，机械联接部2、12可被插接到彼此中。在一个设计中，第二机械联接部12接合第一机械联接部2。两个机械联接部2、12的功能与按钮相似。图3a和图3b示出位于插接位置和分离位置的传感器布置10。

图4示出第一机械联接部2和第二机械联接部12的放大视图。从而，第一机械联接部2包括凹槽5，而第二机械联接部12包括舌片15。本发明意义上的“舌片”应优选地指圆柱形凸起，其接合优选地相似圆柱形的凹陷，即凹槽。为了全面，除了上文提到的圆柱形态，诸如十字形、空心圆柱体、矩形、方形等等的可能设计也应当被提及，且同样可被指定为“舌片”并且各自的对应物被指定为“凹槽”。

因此，第一机械联接部2整体为圆柱形设计，且如上所述，凹槽5实际为内径。在外径上，机械联接部2包括圆周缺口6。在相反侧，即在第二机械联接部12上的电缆11，包括被特别设计为弹簧的凸出部16。因此，缺口6提供倒凹而凸出部16接合该倒凹。为了将电缆11连接到传感器1，将机械联接部2、12推压在一起直到凸出部16接合缺口6。为了从电缆11上分离传感器1，可将机械联接部2、12拉拽直到它们脱离。

自然地，连接元件也可布置于各自的其它部分(传感器1或电缆11)。

此外，两个机械联接部2、12中的一个包括锁环(未示出)，其防止传感器布置10非故意的或偶然的脱离。锁环以锁定机械联接部2、12间的机械连接的方式设计，使得防止机械连接的偶然脱离。这样的锁定机构的示例是弹簧加载锁。为了使第一和第二机械联接部2、12间的机械连接脱离，锁环以如下方式设计：通过锁环的旋转、推压、拉拽和/或按压，联接部2、12之间的机械连接被释放并且发生有意的脱离。

可替代的且未示出的，第一机械联接部2和第二机械联接部12可设计为磁性连接。

传感器1可经由接口3、13和电缆11连接到上级单元22。上级单元22例如是发送器或控制中心。数据处理单元将取决于测量值的值转换为可以被发送器或控制中心解读的协议。这样的例子为专有Memosens协议或HART、无线HART、Modbus、Profibus Fieldbus、WLAN、ZigBee、蓝牙或RFID。替代数据处理单元的是，该转换也可由单独的通信单元执行，其中通信单元可被布置在传感器1一侧或电缆11一侧。在前述协议中也包括无线协议，以便单独的通信单元包括无线模块。

第一接口2和第二接口12被设计用于传感器1和上级单元22之间的双向通信。除通信外，第一接口2和第二接口12也确保提供用于传感器1的能量供应。

接口2、12被设计为感应接口。可替代的，例如也可使用光接口。

通常，第二机械联接部12布置在相对电缆外壳14的纵向轴线C，即相对电缆外壳14上的电缆附件19小于180°角处。

图2a示出根据本发明的传感器布置10的第一设计。电缆外壳14的纵向轴线C和第二机械联接部12之间的角度α因而相应为90°。纵向轴线C和横向轴线D形成四个象限，其中角度α在第三象限(参见图2a)，等于数学意义上的-90°。

图2b示出根据本发明的传感器布置10的第二设计。在这种情况下，电缆外壳14的纵向轴线C和第二机械联接部12之间的角度α为45°。纵向轴线C和横向轴线D形成四个象限，其中角度α在第三象限(参见图2b)，等于数学意义上的-45°。

在一个设计中，第一机械联接部2被布置在相对传感器1的纵向轴线A小于180°角处。传感器1通常具有长度延展，其为可定义纵向轴线A和垂直的横向轴线B的原因。

图2a示出该设计的一个形式。传感器1的纵向轴线A和第一机械联接部2之间的角度α因而相应为90°。纵向轴线A和横向轴线B形成四个象限，其中角度α在第一象限(参见图2a)，等于数学意义上的-90°。

图2b示出该设计的第二个形式。传感器1的纵向轴线A和第一机械联接部2之间的角度α因而相应为45°。纵向轴线A和横向轴线B形成四个象限，其中角度α在第一象限(参见图2b)，等于数学意义上的-45°。

图5示出根据本发明的传感器布置10的第三设计。这里需提到两点。首先，第一机械联接部2被布置于传感器1的纵向轴线A的方向上。图5示出的电缆11具有接头17(参见下文)的形式也可以以如图2a或图2b所示的机械联接部2的布置使用。其次，图5示出包括接头17的电缆11。

接头17将电缆外壳分为第一段14.1和第二段14.2，其中第一段14.1包括第二接口13和第二机械联接部12，并且第二段14.2包括电缆附件19。

通过接头17，可将第一段14.1相对于第二段14.2旋转角β。

在第一形式中，接头17被设计为具有一个自由度的接头，例如作为旋转接头(swivel joint)。可替代的设计为铰接。因此，接头17可被旋转从-180°到+180°的旋转角β。

在接头的这个特定形式中，接头17包括销18，其接合在第一段14.1和第二段14.2上的各自的孔眼。典型地，两侧中的一侧(即或者第一段14.1或者第二段14.2)包括一个孔，而各自的另一侧包括两个孔，这两个孔的一个布置在另一个之上，单个孔位于中央。销18或者被设计为螺钉，其中通过相应的螺母(未示出)固定螺钉，或者通过材料结合固定轴销18，诸如铆接、焊接等等。

接头17也可被布置成相对于纵向轴线B的任何其它角度，诸如关于图5a/b/c所示布置的90°。在图5a/b/c中，销18被布置为垂直于第二机械联接部12；也可替代为平行布置。

角度β可被连续或逐步调节。当逐步调节接头17时，在接头17上设置锁定装置(未示出)，该锁定装置被设计用于一旦接头17已经被逐步调节则在角度β锁定接头17。例如，将锁定装置设计为具有卡销的锁定装置。

当接头17是可连续调节的时，其包括将已调节的角度β固定到位的制动装置(未示出)。制动装置在第一段14.1和第二段14.2之间形成压配合。使得该情况发生的最简单形式是通过施加压力，在这样的强制连接的情况下，两部分即第一段14.1和第二段14.2，在彼此上施加法向力。只要由静摩擦力(例如通过手旋钮)产生的反作用力不被超过，两者之间的相互位移就会被阻止。可替代地，但仍属于压配合类型，可使用螺钉，其中在紧固状态下在角度β的旋钮被阻止。

在图5d的第二设计中，接头17由彼此连接的单独的刚性部分组成。

在其它变化中，接头17被设计为具有三个自由度的接头，特别地，被设计为球接头(未示出)。这允许电缆14或第二段14.2相对第一段14.1被旋转更多的角度。

图6示出根据本发明的传感器布置10在具有待测量的介质20的烧杯中的应用实例。电缆11相对传感器1被弯曲。由于与现有技术相比该设置的倾斜力矩被大幅减少，不需要额外的支撑部。

要提及的另一个优点在于传感器布置10的完全的灵活性，因为联接部2、12自身可被360°角旋转。此外，由于通过不需要操作额外的锁的弹簧状元件将联接部保持在一起，快速插接和分离是可能的。

附图标记列表

1 传感器

1.StdT 根据现有技术的传感器

2 第一机械联接部

2.StdT 根据现有技术的第一机械联接部

3 第一接口

3.StdT 根据现有技术的第一接口

4 传感器元件

5 凹槽

6 缺口

10 传感器布置

11 电缆

11.StdT 根据现有技术的电缆

12 第二机械联接部

12.StdT 根据现有技术的第二机械联接部

13 第二接口

13.StdT 根据现有技术的第二接口

14 电缆外壳

14.1 14的第一段

14.2 14的第二段

15 舌片

16 凸出部

17 接头

18 销

19 电缆附件

20 介质

21 支撑部

22 上级单元

α A和2或C和12之间的角

β 17处的角

A 1的纵向轴线

B 1的横向轴线

C 11的纵向轴线

D 11的横向轴线